Aprovechar al máximo los catalizadores para motores diésel
El transporte de mercancías depende en gran medida de los motores diésel. La combustión del combustible permite que los motores diésel oxiden parte del nitrógeno del aire, lo cual provoca la liberación de óxidos de nitrógeno. Esos compuestos contribuyen a la formación de contaminación, lo cual afecta negativamente a la calidad del aire y a la salud pública. Los motores diésel están equipados con catalizadores para reducir esos compuestos nocivos, pero los catalizadores actuales se degradan con el tiempo. El proyecto CHASS(se abrirá en una nueva ventana), apoyado por las acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), estudió las causas de la desactivación catalítica a nivel molecular.
Conocimiento de las Cu-zeolitas
Las zeolitas son minerales naturales con una estructura cristalina microporosa. Sus propiedades estructurales y químicas los hacen idóneos para su uso como catalizadores: pueden aumentar la velocidad de una reacción química sin padecer un cambio químico permanente. Además de las zeolitas naturales, existen muchos ejemplos sintéticos, entre ellos las Cu-zeolitas(se abrirá en una nueva ventana) (Cu) que contienen cobre, utilizadas como estándar industrial en motores diésel. Las Cu-zeolitas, en particular las de chabasita intercambiada con Cu (Cu-CHA), objeto del proyecto, son capaces de reducir los óxidos de nitrógeno de los gases de escape de los motores diésel, pero hay dos factores que provocan la degradación del catalizador con el tiempo. Cuando los sistemas de escape diésel se calientan demasiado, especialmente por encima del intervalo de 150-500 °C en que rinden mejor, las Cu-zeolitas pueden romperse. Esos catalizadores también son especialmente sensibles incluso a pequeñas cantidades de dióxido de azufre (SO2), que suele formarse durante la combustión del gasóleo.
Métodos complementarios para comprender la desactivación catalítica
El equipo de CHASS reunió a cuatro estudiantes de doctorado, cada uno con un método distinto para comprender el comportamiento catalítico a nivel molecular. Los cálculos de mecánica cuántica permitieron una modelización basada en la teoría del funcional de la densidad(se abrirá en una nueva ventana) y fue paralela a los experimentos de flujo del reactor para el envenenamiento por azufre. Gloria Berlier, coordinadora del proyecto: «También se utilizaron cálculos de mecánica cuántica para describir a nivel atómico el envejecimiento hidrotérmico del catalizador, construir un modelo microcinético para la dealuminación(se abrirá en una nueva ventana) y ayudó a la interpretación de los efectos estudiados experimentalmente del agua en la reacción». El proyecto CHASS también desarrolló modelos utilizando otros métodos. Los resultados «in situ» y «operando» mediante caracterización espectroscópica(se abrirá en una nueva ventana) se utilizaron para desarrollar un modelo de desactivación del azufre, y la composición de los materiales y los datos experimentales informaron los modelos de envejecimiento hidrotérmico de los catalizadores.
Información a nivel atómico
Los resultados del proyecto han hecho avanzar la comprensión científica de cómo y por qué se desactivan los catalizadores de los motores diésel. Los catalizadores son dinámicos, lo cual supone un reto a la hora de comprender las vías de reorganización atómica inducidas por una reacción. Al calcular la distribución y difusión de iones de Cu(se abrirá en una nueva ventana) en la zeolita y describir los movimientos de los átomos de aluminio en el catalizador, el equipo de CHASS ha proporcionado una visión única de las vías de reacción que afectan al material Cu-CHA. «Hemos identificado los sitios de Cu más sensibles al envenenamiento por azufre y propuesto un mecanismo de reacción compatible con los resultados experimentales. Hemos demostrado que el efecto tóxico del azufre, en forma de SO2, es muy sensible a la composición y al pretratamiento del catalizador», explica Berlier. Europa tiene previsto eliminar progresivamente los vehículos basados en combustibles fósiles a partir de 2035, y los motores diésel deberán sustituirse por una alternativa ecológica, como los motores de combustión de hidrógeno. El trabajo de los investigadores noveles del proyecto CHASS ha preparado el camino para avances punteros en el desarrollo de los nuevos catalizadores necesarios para las futuras tecnologías con bajas emisiones de carbono.
